CN103486909A - 低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置及探测方法，地雷探测仪分别与发射线圈、扫频线圈和双D型接收线圈连接，由外向内依次为发射线圈、扫频线圈和双D型接收线圈，线圈直径一定，探测深度与电流成正比，电流一定，探测深度与线圈直径成正比。克服了二次场信号易受噪声干扰、全波检测模块获取的数据量较大、仪器工作效率低等缺点。采用双D型接收线圈得到一次场信号、环境噪声信号和相互抵消后的信号，有效抑制一次场背景值和环境噪声对二次场信号的干扰，使测量精度得到提高，增强了检测微弱异常的能力，减少了数据传送量，通过多次叠加压制噪声，提高了仪器的测量效率。不仅可以用来探测地雷，也可以探测弹片和炮弹。

Description

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种军用探雷装置及方法，尤其是低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置及探测方法。

背景技术

自二战以来，低频电磁感应技术是最流行、最基本的探雷技术。电磁感应探雷技术主要是以地下金属导体与周围土壤介质的导磁性和导电性差异为主要物性基础，通过接收装置感应回来的磁场变化来判断地下金属目标。低频电磁感应探测是由低频交变电流通过发射线圈向周围空间发射交变磁场H₁,称为一次场,如果邻近空间存在金属导体,则在交变磁场的作用下金属导体内形成涡流,涡流又在周围形成同频交变磁场,称为二次场H₂,利用接收线圈接收二次场或一次场与二次场的总和场H，即可对金属物体进行探测。低频电磁感应探测接收线圈接收到的总和场信号或者二次场信号均可分解为虚、实分量。就总和场测定方法来说，仪器分辨率低，虚警率较高，探测能力较差。

单兵工作的便携式探雷器中多数采用低频电磁感应探测技术。GTL115型探雷器原理是基于低频电磁感应原理频域的阻抗变化法，该探雷器的电路具有设计新颖、结构巧妙，在大多数野外环境下充分体现了其高灵敏度的优点。但是高灵敏容易造成金属探雷器有效探测地雷的可靠性不足，尤其地雷探测器在磁性土壤环境下工作误报增多、虚警率较高，降低了探测效率。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种基于低频电磁感应二次场虚分量地雷探测方法及探测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测系统，地雷探测仪1分别与发射线圈2、扫频线圈3和双D型接收线圈5连接，由外向内依次为发射线圈2、扫频线圈3和双D型接收线圈5，双D型接收线圈5直径一定，探测深度与电流成正比，电流一定，探测深度与双D型接收线圈5直径成正比。

地雷探测仪1是由中央处理器6经驱动电路7和H桥路8与电池9连接，中央处理器6经第一AD采集单元12和第一低通滤波器11与第一放大器10连接，中央处理器6经第二采集单元15和第二低通滤波器14与第二放大器13连接，中央处理器6经单片机16与显示及报警单元17连接构成。

显示及报警单元17是由单片机16分别连接扫频信息数码管18、二次场相位数码管19和DA转换单元20，DA转换单元20与蜂鸣器21连接构成。

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法：

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射交变电流；

b、扫频线圈3接收信号，经扫频回路放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经发射线圈2向地下发射由步骤b确定的最佳发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经第一放大器10、第一低通滤波器11和第一AD采集单元12送给FPGA中央处理器6；

f、由FPGA中央处理器6内部嵌入的数字正交检测算法提取二次场虚分量，

二次场的虚分量为：

$\mathrm{Im}{H}_2={\mathrm{GH}}_{10}\·S\frac{\mathrm{\ωR}}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2}$

式中，H₁₀为一次场幅值，G为几何因子，ω为圆频率，

S为电阻R和电感L串联的闭合回路的面积，R为电阻，L为电感；

二次场虚分量ImH₂在高频时与频率成反比，低频时与频率成正比；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17显示探测结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器21发出报警，完成该测点的实时探测。。

有益效果：低频电磁感应二次场虚分量地雷探测方法发现异常能力强，采用双D型接收线圈得到一次场信号H₁、环境噪声信号S和相互抵消后的H₂信号，有效抑制一次场背景值和环境噪声对二次场信号的干扰，使测量精度得到提高，增强了检测微弱异常的能力，提高仪器的分辨率。针对二次场信号易受噪声干扰、全波检测模块获取的数据量较大、仪器工作效率低等缺点，探测装置采用高速AD4倍的一次场发射频率正交矢量信号检测方法，提取二次场信号包络，确定二次场虚分量相位和幅值数据，减少了数据传送量，通过多次叠加来压制噪声，提高了仪器的测量效率。不仅可以用来探测地雷，对于具有与地雷同样金属部分的弹片和炮弹也具有相同的探测效果。

附图说明

图1低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置及探测方法示意图。

图2双D型接收线圈工作原理图。

图3是附图1中地雷探测装置1结构图。

图4是附图3中显示报警单元17结构图。

1地雷探测仪，2发射线圈，3扫频线圈，4地雷，5双D型接收线圈，6FPGA中央处理器，7驱动电路，8H桥路，912V电池，10第一放大器，11第一低通滤波器，12第一AD采集单元，13第二放大器，14低通滤波器，、15AD采集单元，16单片机，17显示及报警单元，18扫频信息数码管，19二次场相位数码管，20DA转换单元，21蜂鸣器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置，地雷探测仪1分别与发射线圈2、扫频线圈3和双D型接收线圈5连接，由外向内依次为发射线圈2、扫频线圈3和双D型接收线圈5，双D型接收线圈5直径一定，探测深度与电流成正比，电流一定，探测深度与双D型接收线圈5直径成正比。

地雷探测仪1是由中央处理器6经驱动电路7和H桥路8与电池9连接，中央处理器6经第一AD采集单元12和第一低通滤波器11与第一放大器10连接，中央处理器6经第二采集单元15和第二低通滤波器14与第二放大器13连接，中央处理器6经单片机16与显示及报警单元17连接构成。

显示及报警单元17是由单片机16分别连接扫频信息数码管18、二次场相位数码管19和DA转换单元20，DA转换单元20与蜂鸣器21连接构成。

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法：

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射交变电流；

b、扫频线圈3接收信号，经扫频回路放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经发射线圈2向地下发射由步骤b确定的最佳发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经第一放大器10、第一低通滤波器11和第一AD采集单元12送给FPGA中央处理器6；

f、由FPGA中央处理器6内部嵌入的数字正交检测算法提取二次场虚分量，

二次场的虚分量为：

$\mathrm{Im}{H}_2={\mathrm{GH}}_{10}\·S\frac{\mathrm{\ωR}}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2}$

式中，H₁₀为一次场幅值，G为几何因子，ω为圆频率，S为电阻R和电感L串联的闭合回路的面积，R为电阻，L为电感；

二次场虚分量ImH₂在高频时与频率成反比，低频时与频率成正比；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17由数码管和蜂鸣器显示结果，计算结果高于测区背景值装置报警，完成对地下金属实时探测。

当地雷探测仪1的发射系统以交变电流I₀供给发射线圈2时，在发射线圈2周围产生一个同频率的交变一次场H₁。这个一次场H₁穿过地下金属导体4，由于电磁感应作用使地雷4内产生感应电流I，感应电流I的频率与一次场频率相同。同时这个感应电流I又使金属导体4周围空间形成交变二次场H₂。通过双D型接收线圈5接收二次场信号。二次场的虚分量为：

$\mathrm{Im}{H}_2={\mathrm{GH}}_{10}\·S\frac{\mathrm{\ωR}}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2},$

其中，H₁₀为一次场幅值，G为几何因子，ω为圆频率，Z＝R+jωL为地下金属导体等效阻抗，S为电阻R和电感L串联的闭合回路的面积。由于二次场虚分量ImH₂在高频时与频率成反比，低频时与频率成正比，当一次场激发频率

时，虚分量ImH₂达到最大值，此时一次场发射频率ω₀为最佳激发频率。当R确定时，ω₀只与L有关，而与I₀无关，通过改变ω₀值使得线圈中产生谐振，达到二次场虚分量最大值。

在系统采集数据之前，先确定最佳发射频率ω₀。由于不同探测环境土壤的电感L不同，为了使发射频率达到最佳发射频率ω₀，在发射线圈2之内放置扫频线圈3。改变发射线圈中的发射频率，在显示及报警单元14中观测扫频线圈3接收到的幅值信息，接收信息幅值会不断变化，并在一定范围内达到最大值，此时的发射频率为最佳发射频率ω₀，激发电流为I₀。

采用双D型线圈作为接收线圈，接收线圈感应信号包括激发一次场H₁信号、二次场H₂信号和环境噪声信号S，双D型接收线圈5左右两部分接收方向相反，由于双D型接收线圈5是完全对称结构，线圈左右两部分一次场H₁信号和环境噪声信号S大小相等、方向相同，当发射线圈2中通以激发电流I₀时，双D型接收线圈左右两边的感应电流I₁和I₂大小相等、方向相反,产生二次场H₂大小相等、方向相反,接收线圈得到信号是一次场信号H₁、环境噪声信号S相互抵消后的H₂信号，有效抑制一次场背景值和环境噪声对二次场信号的干扰，使测量精度提高，增强检测微弱异常的能力，提高仪器的分辨率。探测装置的探测深度与双D型线圈5的大小有关，同时也与电流的大小有关。当电流一定，探测深度与线圈直径成正比，探测深度仅等于双D型线圈的直径，当线圈直径一定，探测深度与电流成正比。

发射回路中FPGA输出的控制信号经由驱动电路7驱动H桥路8，在12V电池9的供电下，向发射线圈2输出ω₀最佳激发频率的交变电流，形成一次场。接收回路中双D型接收线圈5接收感应的二次场信号，将其送至接收回路的仪用放大器13、低通滤波器14，将二次场的环境噪声和高频噪声去掉，同时FPGA中央处理器6控制AD采集单元15对经过放大滤波后的二次场信号进行同步采集，将模拟的二次场信号转换成相应的数字信号，传回FPGA中央处理器6中。针对二次场信号易受噪声干扰、全波检测模块获取的数据量较大，仪器工作效率低等缺点，探测仪系统采用基于高速AD的4倍一次场发射频率正交矢量信号检测方法，提取二次场信号包络，确定二次场虚分量相位和幅值数据，减少了数据传送量，通过多次叠加来压制噪声，提高了仪器的测量效率。显示报警单元由相位数码管19、DA转换20和蜂鸣器21组成，二次场相位信息变化微弱，FPGA提取的二次场相位信息送到单片机16中，单片机16通过串口中断方式控制在相位数码管19中显示的相位变化信息，金属异常体在接收线圈右半侧时相位值变大，异常体在接收线圈左半侧时相位值变小；二次场幅值强弱变化大小由FPGA通过DA转换单元控制蜂鸣器发声大小来表示，金属异常越大，二次场幅值变化越大，蜂鸣器的音响效果越高，相反金属异常越小，蜂鸣器的发声越小。

实施例1

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法为：

地雷标准样品为0.78g，为正方体形状的金属体，将此地雷标准样品埋在地下20cm深处，双D型接收线圈5的直径20cm，12V电池供电，中心频率ω₀=9KHz；发射电流I₀=500mA，

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射2A交变电流；

b、利用扫频线圈3接收信号，经由扫频回路的仪用放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、利用双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经由接收回路传给FPGA中央处理器6；

f、FPGA中央处理器6内部嵌入数字正交检测算法提取二次场虚分量相位和幅值数据传送给单片机；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17显示探测结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器21发出报警，完成该测点的实时探测。

实施例2

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法为：

地雷标准样品为0.78g，为正方体形状的金属体，将此地雷标准样品埋在地下50cm深处，双D型接收线圈5的直径50cm，12V电池供电，中心频率ω₀=9KHz；发射电流I₀=500mA，

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射交变电流；

b、利用扫频线圈3接收信号，经由扫频回路的仪用放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、利用双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经由接收回路传给FPGA中央处理器6；

f、FPGA中央处理器6内部嵌入数字正交检测算法提取二次场虚分量相位、幅值数据传送给单片机；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17显示探测结果结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器21发出报警，完成该测点的实时探测。

实施例3

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法为：

地雷标准样品为0.78g，为正方体形状的金属体，将此地雷标准样品埋在地下30cm深处，双D型接收线圈5的直径30cm，12V电池供电，中心频率ω₀=9KHz；发射电流I₀=2A，

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射交变电流；

b、利用扫频线圈3接收信号，经由扫频回路的仪用放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、利用双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经由接收回路传给FPGA中央处理器6；

f、FPGA中央处理器6内部嵌入数字正交检测算法提取二次场虚分量相位、幅值数据传送给单片机；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17显示探测结果结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器21发出报警，完成该测点的实时探测。

实施例4

低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法为：

地雷标准样品为0.78g，为正方体形状的金属体，将此地雷标准样品埋在地下20cm深处，双D型接收线圈5的直径20cm，9V电池供电，中心频率ω₀=9KHz；发射电流I₀=1.5A，

a、启动装置，电池9供电，FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射交变电流；

b、利用扫频线圈3接收信号，经由扫频回路的仪用放大器10、低通滤波器11和AD采集单元12后送入显示及报警单元17的扫频信息数码管18中，确定最佳发射频率ω₀；

c、FPGA中央处理器6控制发射回路，经由发射线圈2向地下发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体4形成二次场H₂；

e、利用双D型接收线圈5实时接收二次场信号，经由接收回路传给FPGA中央处理器6；

f、FPGA中央处理器6内部嵌入数字正交检测算法提取二次场虚分量相位、幅值数据传送给单片机；

g、单片机16对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元17中；

h、显示及报警单元17显示探测结果结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器21发出报警，完成该测点的实时探测。

Claims (4)

1.一种低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置，其特征在于：地雷探测仪(1)分别与发射线圈(2)、扫频线圈(3)和双D型接收线圈(5)连接，由外向内依次为发射线圈(2)、扫频线圈(3)和双D型接收线圈(5)，双D型接收线圈5直径一定，探测深度与电流成正比，电流一定，探测深度与双D型接收线圈5直径成正比。

2.按照权利要求1所述的低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置，其特征在于：地雷探测仪(1)是由中央处理器(6)经驱动电路(7)和H桥路(8)与电池(9)连接，中央处理器(6)经第一AD采集单元(12)和第一低通滤波器(11)与第一放大器(10)连接，中央处理器(6)经第二采集单元(15)和第二低通滤波器(14)与第二放大器(13)连接，中央处理器(6)经单片机(16)与显示及报警单元(17)连接构成。

3.按照权利要求2所述的低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置，其特征在于：显示及报警单元(17)是由单片机(16)分别连接扫频信息数码管(18)、二次场相位数码管(19)和DA转换单元(20)，DA转换单元(20)与蜂鸣器(21)连接构成。

4.按照权利要求1所述的低频电磁感应二次场虚分量地雷探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、启动装置，电池(9)供电，中央处理器(6)控制发射回路，经由发射线圈(2)向地下发射交变电流；

b、扫频线圈(3)接收信号，经扫频回路放大器(10)、低通滤波器(11)和AD采集单元(12)后送入显示及报警单元(17)的扫频信息数码管(18)中，确定最佳发射频率ω₀；

c、中央处理器(6)控制发射回路，经发射线圈(2)向地下发射由步骤b确定的最佳发射频率ω₀的交变电流，形成稳定一次场H₁；

d、一次场激发地下金属地雷体(4)形成二次场H₂；

e、双D型接收线圈(5)实时接收二次场信号，经第一放大器(10)、第一低通滤波器(11)和第一AD采集单元(12)送给中央处理器6；

f、由中央处理器(6)内部嵌入的数字正交检测算法提取二次场虚分量，

二次场的虚分量为：

$\mathrm{Im}{H}_2={\mathrm{GH}}_{10}\·S\frac{\mathrm{\ωR}}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2}$

式中，ImH₂为二次场虚分量，H₁₀为一次场幅值，G为几何因子，ω为圆频率，

S为电阻R和电感L串联的闭合回路的面积，R为电阻，L为电感；

二次场虚分量ImH₂在高频时与频率成反比，低频时与频率成正比；

g、单片机(16)对二次场虚分量相位和幅值数据计算，计算结果送入显示及报警单元(17)中；

h、显示及报警单元(17)显示探测结果，计算结果高于测区背景值蜂鸣器(21)发出报警，完成该测点的实时探测。

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